中药渣气化循环利用系统的生命周期评价——以山东步长制药有限公司为例

尹阳阳

(天津大学 管理与经济学部，天津 300072)

进入21世纪以后，全球变暖问题成为人们面临的最严重的环境问题之一，减少温室气体二氧化碳的排放引起各国人民的关注，成为了缓解环境问题和气候问题的重中之重，人们逐渐步入“低碳”时代，全球范围内掀起了一股强大的“低碳”热潮，但是化石能源的大量使用，依旧会产生大量的二氧化碳，严重阻碍了“低碳”时代的发展[1].另一方面，我国共有中药企业1 636家，占全球医药行业企业的32%，并有中药资源12 807种，我国中药行业每年要消耗植物类药材70 万t左右，每年产生的植物类药渣高达66.5 万t，这些药渣如果不经过处理简单的堆放在外面，会对环境造成极大的伤害[2-4].因此，面对能源、环境和中药渣的处理问题，部分中药企业提出并运用中药渣气化循环利用系统，将中药渣进行一系列处理，最终得到高温粗燃气，并将高温粗燃气用于中药生产过程，缓解能源不足的压力，减少生产过程中火电等能源的利用造成的环境污染，也解决了中药企业的药渣处理难题.

为了定量的评价该中药渣气化循环利用系统的全生命周期排放，本文运用生命周期评价(Life cycle assessment, LCA)方法，利用生命周期评价软件Simapro V8.1.1，定量的计算了中药渣气化循环利用的生命周期环境影响负荷，对比分析了中药渣气化循环利用系统和传统中药渣填埋系统的排放的影响，从而说明中药渣气化系统的可行性，为中药渣气化循环利用的推广奠定基础.

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

本文的研究对象为山东步长制药有限公司的中药渣气化循环利用系统.该系统以步长制药公司的中药渣为原料，经过原料预处理系统中筛选、粉碎、机械脱水、蒸汽烘干一系列处理得到颗粒均匀的干药渣，再经过中药渣气化系统由气化炉将干药渣气化成高温粗燃气，最后经过燃气利用系统实现高温粗燃气的燃烧利用.本文基于山东步长制药有限公司的日处理药渣量250 t的中药渣气化循环利用系统进行生命周期评价，为中药渣处理系统提高资源利用率、降低环境排放负荷提供理论依据.

1.2 研究方法

本文运用生命周期方法进行分析.生命周期评价方法(LCA)最早出现于上个世纪60年代末，是评价由原材料的提取、产品的生产、使用、使用后的回收等阶段组成的产品全过程对环境产生的影响的1种方法.评价过程一般主要包括输入和输出2个方面的内容，其中输入包括生产、组装、使用以及回收该产品所有需要的能源类型，输出包括产品整个生命过程中对环境的排放.目前对LCA的定义有很多种，其中比较权威的有环境毒理学和化学学会(SETAC)和国际标准化组织(ISO)等几种，如ISO将LCA定义为“对一个产品系统的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价”[5-6].

生命周期评价可分为4个阶段：目标与范围的确定，清单分析，影响评价和结果解释，这4个阶段相互独立又相互联系，构成如图1所示的生命周期评价技术框架.

本文基于生命周期评价软件Simapro V8.1.1，选取以终结点(面向损害)为基础的Eco-indicator 99分析方法进行环境影响分析.其中环境包括3个方面：①资源(Resource)，指的是目前为满足将来提取矿产和化石资源所需要的剩余能源，包括土地的使用；②人类健康(Human Health)，指的是由于环境问题引起的各种疾病以及非正常死亡而减少的人类寿命，如臭氧层破坏、温室效应等；③生态系统(Eco-system)，指的是对自然界的生物多样性的损害，包括酸雨、富营养化等损害.Eco-indicator99分析方法将产品的清单数据进行分析，按照一定的环境机制，按类划分到各个环境问题类中，主要的环境问题包括致癌物、辐射、酸化/富营养化、土地占用、矿物开采等，再将上述各类环境问题做归一化处理，最终归结到对资源、人类健康、生态系统的损害[7-9].归一化因子采用Eco-indicator 99(I)+ Version 2.10方法中的默认缺省因子，权重系数参照方法Europe EI 99 I/A.

2 中药渣气化系统生命周期评价

2.1 研究目的和范围的确定

定量的分析中药渣气化循环利用系统在整个生命周期中带来的环境影响，并与传统的中药渣填埋系统的环境影响进行对比，从而表明中药渣气化循环利用的优点，为中药渣气化循环利用系统的推广提供依据.

文中以中药渣气化系统一天的处理量——250 t中药渣所产生的环境影响为功能单位.在满足研究需要的同时，对系统边界进行部分假设和简化处理，具体如图2所示.中药渣气化生命周期主要包括3个阶段：原料预处理阶段，包括筛选、粉碎、机械脱水、蒸汽烘干等工艺；中药渣气化阶段，包括干药渣的存储和气化等工艺；燃气利用阶段，即燃气的燃烧利用工艺[10-12].本文重点为日处理药渣量250 t的整个过程中对环境造成的影响，忽略工厂基础建设和所有机械设备制造的能耗和排放.

2.2 清单分析

本文的清单数据主要来自于山东省步长制药公司，并辅以Simapro数据库和相关文献中的数据参考，具有一定的准确性.在中药渣气化循环利用系统的清单数据收集过程中，要把清单数据与中药渣预处理、中药渣气化、燃气利用3个子系统结合在一起，清单数据详见表1.

在原料预处理系统部分，输入包括中药渣、电力、运输、烘干用热，其中中药渣为250 t含水量高、颗粒大小不一的湿中药渣，电力为液压机、粉碎机等相关设备的总电能消耗，由于控制系统及视频监控系统虽然在整个中药渣气化循环利用全生命周期中均应用，但在中药渣预处理系统应用较多，因此在生命周期评价时将控制系统和视屏监控系统的电力消耗合并入中药渣预处理系统进行分析，运输为250 t中药渣由中药渣产生地通过货车运输0.4 km，运至预处理的厂房的过程中的消耗，由运输重量250 t与运输距离0.4 km计算得出生命周期评价中需要输入的运输的数值为100 tkm，烘干用热为燃气利用系统产生的用于预处理过程中，药渣烘干的热量值；输出包括废水和干药渣，其中废水为湿中药渣挤压脱水产生的废弃物，为183 t，由管道直接运输到污水处理厂进行处理排放，干药渣67 t为原料预处理系统的最终产物.

在中药渣气化系统中，输入包括干药渣、电力、石英砂、空气、水蒸气，其中67 t干药渣为中药渣气化系统的原料，电力为气化炉等设备消耗的总电能，石英砂、空气、水蒸气均为催化剂，保证中药渣气化进程的稳定推进；输出包括粗燃气、半焦、焦油、甲烷、灰渣，其中粗燃气为中药渣气化系统的最终产物，半焦、焦油、甲烷、灰渣都为废弃物，半焦和灰渣作为废物流进行处理，焦油和甲烷排放至水体或空气中.

在燃气利用系统中，输入包括粗燃气和电力，粗燃气为气化系统的产物，用作燃气利用系统的原料，电力为蒸汽锅炉等设备的总能耗；输出包括烘干用热和生产用热，烘干用热占总热量输出的33%，用于原料预处理系统中湿中药渣的烘干工艺，以降低药渣含水量，生产用热作为中药渣气化循环利用系统的最终产物，用于其他生产活动，例如可应用于本制药公司的中药生产过程.

表1 中药渣细化循环利用系统生命周期评价的清单数据

2.3 影响评价及结果解释

2.3.1 特征化

特征化是对影响评价结果进行统一单位换算，并在一种影响类型内对换算结果进行合并，用来判定环境影响的绝对大小.利用Simapro软件计算250 t中药渣处理及利用过程的生命周期特征化结果，如表2所示.

由上表可知，中药渣气化循环利用的整个生命周期中，在生态毒性、酸化/富营养化和矿物开采3个方面对环境的影响较大，其中在酸化/富营养化方面对环境的绝对影响最大，达到2.62×102PDF×m2yr，而在辐射、臭氧层消耗、致癌物和大气有机污染等方面对环境的影响较小.

2.3.2 损害评价

损害评价是指整个生命周期过程在人类健康、生态质量、资源消耗3个方面对环境产生的影响的绝对大小.利用Simapro软件计算250 t中药渣处理及利用过程的生命周期损害评价结果，如表3所示.

表2 250 t中药渣气化循环利用系统与填埋系统生命周期特征化结果

表3 250 t中药渣气化循环利用系统与填埋系统生命周期损害评价结果

由上表可知，中药渣气化循环利用的整个生命周期中，对生态质量方面的影响数值明显较大 ，达到2.78×102PDF×m2yr，而对人类健康的影响数值最小，仅为2.58 DALY.

2.3.3 环境负荷单一值

环境负荷单一值是指当不同环境干扰或环境问题之间存在利益权衡时，利用价值选择和主观因素对各个影响类型的相对重要性排序，将不同影响类型的参数结果合并成单一指数.利用Simapro软件计算250 t 中药渣的环境负荷单一值，如表4所示.

表4 250 t中药渣气化循环利用系统与填埋系统生命周期环境负荷单一值

由上表可得，中药渣气化循环利用的整个生命周期的环境影响负荷为1.68×103Pt；对人类健康方面造成的环境影响负荷明显较大，达到1.65×103Pt；相比较来说，在生态质量方面的环境影响负荷较小，仅为1.99×101Pt；而在资源消耗方面的环境影响负荷只有1.48Pt，可以忽略不计.

3 中药渣气化系统与传统中药渣填埋系统环境影响对比

本文基于Simapro V8.1.1也建立了传统中药渣填埋系统的生命周期过程，衡量传统中药渣填埋方式对环境的影响.在传统中药渣填埋系统的全生命周期中，运输中药渣质量为250 t，运输距离为1 km，货车运输的能耗和排放直接调用Simapro数据库中的transport数据，且数值为250 tkm.然后将得到的结果与中药渣气化系统进行对比，比较两种中药渣处理方式对环境的影响.

3.1 特征化结果对比

由表2可知，中药渣气化和中药渣填埋在生态毒性、酸化/富营养化、土地占用和矿物开采4个方面均对环境影响较大，其中在酸化/富营养化方面对环境产生的绝对影响相差不大，但在生态毒性、土地占用、矿物开采3个方面，2种处理方式对环境产生的绝对影响差距较大，中药渣气化处理方式比中药渣填埋具有明显优势.主要原因归结为2个方面：一方面中药渣气化处理方式将中药渣循环利用，减少了固体废物和有害物质的排放；另一方面中药渣填埋方式将大量中药渣直接填埋，导致大量的土地占用，影响了矿物的开采，并且中药渣在自然环境中腐化，产生的大量有害物质不容忽视.

3.2 损害评价结果对比

由表3可知，2种中药渣处理方式在人类健康方面的影响均较小，而在生态质量和资源消耗两个方面的影响均较大，并且2种处理方式在生态质量方面对环境的影响相差不大.但是，在资源消耗方面，中药渣气化处理方式比中药渣填埋处理方式具有明显优势，这主要是由于中药渣气化处理方式将中药渣气化循环利用，减少了其他种类能源和资源的消耗.

3.3 环境负荷单一值对比

2种处理方式的环境负荷单一值对比结果如表4所示.由表可知，中药渣气化系统生命周期的环境负荷单一值为1.68×103Pt，明显低于中药渣填埋系统的生命周期的环境负荷单一值2.47×103Pt，差距主要表现在人类健康和资源消耗方面，其中主要的影响因素是人类健康.在人类健康方面，中药渣气化系统的环境负荷单一值为1.65×103Pt，比中药渣填埋的环境负荷单一值小6.4×102Pt.在资源消耗方面，2种处理方式的差别也很大，中药渣填埋的环境负荷单一值大约是中药渣气化的环境负荷单一值的100倍.其原因可归纳为两方面：一方面，中药渣填埋后，会在自然条件下腐化，散发怪异的气味，滋生病菌、微生物、虫蚁等，对人类健康和生态质量都有不可忽视的影响；另一方面，中药渣气化系统将中药渣循环利用，减少了其他资源、能源的消耗.

4 结语

本文以山东步长制药有限公司为例，建立了中药渣气化循环利用系统和中药渣填埋系统的生命周期评价，并将两个系统的生命周期评价结果进行对比，结果表明相较于中药渣填埋系统，中药渣气化循环利用系统具有明显优势，尤其是在资源消耗方面.本文这一结果为中药渣气化循环利用系统的使用和推广奠定了坚实的基础.